автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему:Моделирование процессов постадийного преобразования цветных изображений в современных репродукционных полиграфических системах

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПЕЧАТИ

Р Г Б ОД

УДК 655.228.82 На правах рукописи

КАНЫГИН Николай Иванович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОСТАДИЙНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЦВЕТНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В СОВРЕМЕННЫХ РЕПРОДУКЦИОННЫХ ПОЛИГРАФИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Специальность 05.02.15 - "Машины, агрегаты и процессы полиграфического производства"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1996 г.

Работа выполнена на кафедре Технологии формных процессов и обработки изображений МОСКОВСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ АКАДЕМИИ

ПЕЧАТИ

Официальные оппоненты:

Академик МАИ, Лауреат Государственной премии СССР, Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор

Академик МАИ, доктор химических наук, профессор

Член-корреспондент МАИ, доктор технических наш, старший научный сотрудник

КАЛУГИН Евгений Иванович (29 НИИ МО РФ)

ТИХОНОВ Владимир Петрович (МГАП)

ВИНОКУР Алексей Иосифович (НИКФИ)

Ведущее предприятие

НИИГознак

Защита состоится "¿Я " 199^ г. в " М " часов на

заседании, диссертационного Совета ВАК РФ Д.063.39.01 при Московской государственной академии печати по адресу:

Москва, 127550, улЛрятшникова, 2а (тел. 976-78-81).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии по адресу: 127550, г.Москва, улЛрятшникова, 2а.

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д.063.39.01 доктор химических наук, профессор

Цель работы - разработка и совершенствование теории воспроизведения цветной изобразительной информации растровыми репродукционными системами с применением современных информационных, спектральных (пространственно-частотных) и колориметрических методов оценки качества воспроизведения цветных изображений, а также установление связи между информационными параметрами воспроизводящих систем и субъективными оценками качества получаемых полиграфических изображений: цветовоспроизведением, резкостью, зашумленностью и информативностью.

Актуальность темы. Ускорение технического прогресса и активное использование в полиграфическом производстве новых технологий на базе электронно-вычислительных машин и настольных издательских систем (НИС) с поэлементной обработкой сигнала предъявляют высокие требования к качеству репродуцирования и требуют нового комплексного подхода к разработке и совершенствованию теории воспроизведения полиграфическими растровыми системами цветных изображений.

Фактическое отсутствие единой теории воспроизведения цветных изображений полиграфическими системами с поэлементной обработкой сигнала в значительной мере затрудняет их инженерный расчет и развитие производства отечественного репрографического оборудования, тормозит дальнейшее повышение качества цветной высокохудожественной и рекламной продукции.

Разработка и совершенствование теории репродуцирования полиграфическими растровыми системами цветных изображений с использованием информационного подхода и применением колориметрических и структурно-резкостных методов является актуальной задачей, решение которой будет способствовать нахож-

дению научно обоснованных путей увеличения информативности репродукционных систем и повышению качества полиграфической продукции.

Научная новизна полученных автором результатов заключается в разработке новых теоретических положений и интегральных методов оценки качества воспроизведения растровыми репродукционными системами цветной изобразительной информации.

При разработке и теоретическом обосновании.оценок качества воспроизведения репродукционными системами цветных изображений учитывались основные информационные параметры воспроизводящей системы и особенности визуального восприятия человеком цветной информации.

Методы исследования.

Теоретические и экспериментальные исследования проводились на основе физического эксперимента с применением математического моделирования на ЭВМ. При моделировании процессов воспроизведения цветных изображений использовали колориметрический подход и основные положения теории передачи информации в фотографических системах.

Защищаемые положения. Защищаются новые теоретические положения - и,интегральные методы .оценки качества воспроизведения растровыми репродукционными системами цветной изобразительной информации.

1. Комплексная модель цветовоспроизведения и визуального восприятия цветных растрированкых репродукционных изображений. учитывающая основные параметры системного преобразования сигнала, информационные характеристики репродукционной и телевизионной систем, а также цветоразличительные характе-

рнстики зрительного анализатора человека. Она объединяет вновь разработанные математические модели:

- Модель системного преобразования сигнала репродукционными сканирующими системами поэлементной обработки изображений с учетом апертурной фильтрации, дискретизации, логарифмирования, нормирования, аналого-цифрового преобразования и растрирования;

- Модель микроколориметрического расчета цветовоспроизведения изображений мелких деталей с учетом особенностей их визуального восприятия человеком;

- Модель расчета зональных оптических плотностей цветного растрированного полиграфического изображения с учетом осо-•бенностей растрового процесса и рассеяния света в системе

"краска-бумага";

- Модель формирования на дисплее видеопробы (Soft proof -мягкой пробы), . учитывающей особенности формирования цветных изображений репродукционными и телевизионными системами. Алгоритм преобразования полиграфических координат CMYK в телевизионные цветовые координаты RGB обеспечивает адекватность колориметрических координат изображений видеопробы и пробного оттиска.

2. Методы определения информационных параметров качества воспроизведения полиграфической системой цветных изображений:

- Метод определения ФПМ полиграфической системы "краска-бумага";

- Метод определения кривой дерастрирования с учетом ФПМ полиграфической системы "краска-бумага";

- Метод определения резкости полиграфических изображений, обусловленной сдвигом красочных изображений при их частичном несовмещении во время печати;

- Метод определения шумовых характеристик цветных фотогра-

фических и репродукционных растрировании изображений;

- Метод интегральной оценки информационных характеристик полиграфических растровых систем с учетом цветоразличитель-ных характеристик зрительного анализатора.

Объем и структура диссертационной работы. Работа изложена на 362 страницах, состоит из введения, семи глав, выводов и списка литературы из 236 наименований. Работа содержит 88 рисунков и 33 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение.

Во введении сформулированы цель и задачи исследования, обоснована актуальность диссертационной работы, показаны научная новизна и практическая ценность работы.,

Глава 1. Обзор литературы по воспроизведению и визуальному восприятии цветной изобразительной информации.

Анализ существующих теоретических и экспериментальных работ показал, что для оптимизации процесса обработки и воспроизведения цветной изобразительной информации необходимо в комплексе учитывать информационные свойства изображения оригинала и воспроизводящей полиграфической системы, а также особенности визуального восприятия человеком цветных изображений. Комплексный подход предполагает, что информационные свойства изображения оригинала, воспроизводящей системы и 'зрительного анализатора человека должны быть описаны в единых параметрах, позволяющих проводить поэтапный и сквозной

расчеты количественных оценок качества воспроизведения изобразительной информации. При этом для наиболее полного описания информационных свойств полиграфической системы и оценки качества полиграфических изображений целесообразно использовать широко применяемые в теории информации цветоделитель-ные. градационные, резкостные, шумовые и колориметрические (цветовые) параметры, а также интегральные информационные оценки качества полиграфической изобразительной продукции.

Анализ представленной ниже схемы репродукционного процесса показал, что на различных стадиях преобразования изображения в современных системах поэлементной обработки сигнала используются различные единицы измерения: Lab, Dc • 3 • к. CMYK, RGB-сканера. Фирмы-производители репродукционного оборудования, как правило, держат в секрете используемые ими алгоритмы преобразования из одних единиц в другие, что создает определенные трудности при оптимизации параметров настройки системы, влияющих на качество конечного полиграфического изображения. Поэтому, при разработке комплексной модели цветовоспроизведения и визуального восприятия цветных полиграфических изображений необходимо учитывать системные преобразования сигнала и разработать математические модели (алгоритмы), позволяющие проводить пересчет единиц CMYK в зональные оптические плотности D°-3-K изображения на оттиске и цветовые координаты видеопробы RGB-монитора. Актуальна также задача разработки методов определения эффективных колориметрических цветовых координат воспроизводимых малых деталей изображений и основных информационных параметров качества воспроизведения цветных полиграфических изображений: резкости, зашумленности, интегральных оценок.

В этой связи обзорная глава диссертационной работы содержит восемь основных разделов, в которых рассматриваются тен-

Схема преобразования изображения в полиграфических системах поэлементной обработки сигнала

ОРИГИНАЛ (Lab, D° •3 ■ к оригинала)

ЦВЕТОДЕЛЕНИЕ И СИСТЕМНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ: апертурная фильтрация, дискретизация, логарифмирование, нормирование, аналого-цифровое преобразование (RGB сканера)

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ RGB В Lab

(Lab)

J_

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ:

цветовые, градационные, резкостные, шумовые (Lab)

РАСТРИРОВАНИЕ В RIP

- (CMYK)

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ФОТОФОРМ

(CMYK)

ВИДЕОПРОБА

(RGB монитора)

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ФОРМ (CMYK)

nE4J (CMYK, Dc'3- ro> к оттиска)

ВИЗУАЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ И АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПОЛИГРАФИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ

(субъективные оценки качества: резкость, зашумленность, цвето- и тоновоспроизведение)

денции развития современной технологии обработки изобразительной информации в полиграфии и обосновывается комплексный подход к использованию основных информационных и колориметрических параметров для оценки качества воспроизведения современными полиграфическими системами цветных полиграфических изображений. Предполагается, что применение информационных и колориметрических параметров для оценки полиграфических систем позволит выявить пути их дальнейшего совершенствования и будет способствовать повышению качества воспроизведения цветных полиграфических изображений.

Глава 2. Системное преобразование сигнала в полиграфических системах поэлементной обработки изображений.

Возможности повышения информативности и улучшения качества полиграфических изображений ограничены технологией производства и техническими возможностями используемого фотоформного и печатного оборудования. На стадии изготовления фотоформ широкое распространение получили сканирующие системы с поэлементной обработкой изображений. Для современных сканирующих систем с поэлементной обработкой изображений эти ограничения вызваны наличием системных преобразований сигнала, необходимых для преобразования полутоновых изображений в растрированные (микроштриховые).

В этой- связи во второй главе рассмотрены основные принципы и сформулирована обобщенная модель системных преобразований сигнала в полиграфических сканирующих системах. При разработке обобщенной модели системных преобразований использованы публикации ведущих специалистов по данном вопросу: Игнатьева Н. К., Котельникова В. А., Кузнецова Ю. В., Лебедя Г. Г.

В обобщенной модели учитываются основные системные преобразования сигнала: апертурная фильтрация, дискретизация, логарифмирование, нормирование, аналого-цифровые преобразования и растрирование.

Апертурная фильтрация описывается операцией свертки распределения освещенности искомого изображения оригинала Е! (х,у) с функцией пропускания апертуры g(x\y'):

Í+CO />+00

е4(х - х'. у - у') §(х',у') ах' ау' (1)

-ЮJ —СО

Операция апертурной фильтрации в пространственно-частотных кооординатах соответствует перемножению спектра исходного сигнала изображения Г^Шх.Шу) и функции передачи модуляции (ФПМ) апертуры С(шх,шу). При этом спектр сигнала после апертурной фильтрации РгСШл.Шу) рассчитывается:

¥г (Шц,Шу) = р! (Шх,Шу) С^.Шу), (2)

где а^, Шу пространственные частоты вдоль осей х и у, Г^Шц.Шу) - Фурье преобразование от Е, (х.у). Во время поэлементной обработки происходит дискретизация, т. е. выборка значений сигнала через равные пространственные итервалы Тх , Ту вдоль осей х и у соответственно.

Операция дискретизации непрерывного сигнала Ег(х,у) выражается произведением этого сигнала на дискретизирующую функцию <1(х/тх, у/Ту). в результате чего образуется дискретная функция Е3(х.у) с интервалами Тх и Ту между импульсными отсчетами:

Е3(х,у) = Тх-Ту-1 I Ег(кТх, 1ТУ) • 6(х-кТх, у-Пу) (3)

К 1

В пространственно-частотных координатах спектр дискретного

- и -

изображения Р3 (е^, азу) определяется с помощью операции свертки спектра сигнала Рг^;^) и спектра БСш,,.^)дискретизи-рующей функции (3(х/Тх, у/Ту):

Спектр F3 (ш*. Шу ) (4) состоит из бесчисленного количества спектров-двойников F2 (^.Шу), положение центров которых определяется периодами дискретизации Тх" и Ту.

Логарифмирование и нормирование дискретных величин сигнала Е3(х,у) осуществляются с целью сокращения динамического диапазона сигнала. Операция логарифмирования преобразует яркос-тной сигнал Е3(х,у) в значения оптической плотности D(x,у).

Логарифмирование осуществляется в соответствии с выражениями (5) и (6). В пространственных координатах:

D(x.y) = - log[E3(x,y)]. (5).

или в пространственно-частотных координатах спектр сигнала:

F3(Шх.Шу) = - og[E3(x,y)] expf-КШхХ + ШуУ)] dx dy (6)

Нормирование значений оптической плотности изображения D(x, у) осуществляют по формуле:

где и Цат -максимальное и минимальное значения оптической плотности оригинала, соответственно.

На заключительных стадиях поэлементной обработки сигнала осуществляются операции аналого-цифрового преобразования и

F3((i)x,(fly) = 2Ж-ï I F2 (Шц - к-шох. <fly ~ 1-шоу)

(4)

D4(x.y) = (D(x.y) - Dmln] / tDmix - Dmln3

(7)

электронного формирования растровых элементов.

Операция аналого-цифрового преобразования обеспечивает возможность цифровой обработки сигнала. При этом его дискретные значения квантуются по уровню нормированной оптической плотности. Диапазон возможных значений сигнала разбивается на N интервалов, каждому из которых соответствуют граничные значения: -минимальное и ^ -максимальное, где 1 принимает значение от 0 до N.

Заключительная операция - растрирование позволяет выполнить необходимое при использовании полиграфической технологии преобразование полутонового изображения в микроштриховое, состоящее из отдельных растровых ячеек.

Применение обобщенной модели системного преобразования сигнала позволяет проводить расчеты и исследовать вопросы, связанные с оптимизацией процесса воспроизведения структурированных изображений электронными системами поэлементной обработки сигнала.

Глава 3. Резкостные характеристики репродукционной системы и отдельных ее звеньев.

В третьей главе рассмотрена Возможность численной оценки резкостных характеристик основных передающих звеньев репродукционных систем, влияющих на качество воспроизведения цветных изображений и исследована зависимость визуального восприятия качества изображений от резкостных параметров воспроизводящей системы.

Основными передающими звеньями репродуцирующей системы, влияющими на качество воспроизведения цветных изображений, являются оптические и регистрирующие среды, формирующие изображение, а также печатная система "краска-бумага". Под ре-

гистрирующими средами понимаются цветные фотографические материалы, используемые для изготовления оригиналов (слайдов), и высококонтрастные фототехнические пленки, применяемые для изготовления фотоформ.

В качестве резкостных параметров использовали функцию передачи модуляции (ФПМ) и функцию рассеяния (ФР) света, широко применяемые при оценке качества воспроизведения изображений в научной фотографии, кинематографии и телевидении.

ФПМ цветных фотографических материалов определяли в соответствии с ОСТ 6-17-452-78. При определении ФПМ высококонтрастных фототехнических пленок использовали растровый метод, разработанный Ю.С.Андреевым. С целью уменьшения трудоемкости расчетов ФПМ нами была разработана компьютерная программа, реализующая алгоритм определения ФПМ растровым методом, позволяющая автоматизировать проводимые расчеты.

Основное внимание уделено разработке денситометрического метода и автоматизации расчета ФПМ печатных систем "краска-бумага". Известно, что именно печатные краска и бумага оказывают наибольшее влияние на субъективную оценку резкости полиграфических изображений.

Сущность разработанного денситометрического метода определения ФПМ печатной системы "краска-бумага" заключается в получении на оттиске изображений теста в виде линейчатых решеток с различной пространственной частотой, измерении интегральных оптических плотностей полученных изображений с помощью обычного денситометра типа ДО, и последующей их компьютерной обработки в соответствии с требуемым алгоритмом расчета ФПМ.

Использование денситометрического метода определения ФПМ печатной системы "краска-бумага" позволило провести исследование зависимости функции передачи модуляции от качества ис-

пользуемых при печати красок и бумаг.

При оценке резкости цветных полиграфических изображений необходимо учитывать специфику их формирования при печати и особенности визуального восприятия человеком изобразительной информации. Основное влияние на численную оценку резкости полиграфических изображений оказывает,неточность совмещения красок при печати (неприводка красок). В зависимости от вида печатной продукции величина допустимого несовмещения составляет Т1 = 0,2+0.6 мм, что значительно превышает период растровых элементов, который, например, для линиатуры Ь=60 лин/см составляет 0,167 мм.

Для численной оценки резкости фотографических изображений предложено большое число математических выражений, основанных на использовании ФПМ воспроизводящей системы. Среди них практический интерес представляет критерий Крейна, основанный на логарифмической зависимости между резкостью изображения Ц и квадратом площади Т под кривой ФПМ воспроизводящей системы, включая ФПМ зрительного анализатора человека: 200

О = А - Б • -)2. (8)

М-Т

Постоянные коэффициенты А и Б подобраны Крейном таким образом, чтобы для идеального по резкости изображения граничные значения субъективной оценки были 0. = 100 (т. е. при величине Т. равной полной площади под ФПМ глаза) и для недопустимого по резкости изображения й = 70 (т.е. при уменьшении площади под ФПМ воспроизводящей системы до 25% ). Для принятых Крейном допусков на качество воспроизводящей системы и нормальных условий наблюдения (25-30 см от глаза)' уточненные нами постоянные коэффициенты равны А=139, Б=25. Масштабный коэффицент М.определяется отношением размера рассмат-

риваемого изображения к его размеру на сетчатке глаза. Для нормальных условий наблюдения оттидков М=13.7.

Для определения величины Т, подставляемой в уравнение (8), нами предложено выражение:

л>ГГ) <л>Г1) з1п(ят^) -0.3431?

Т = РТ(Ю йч = р - • е ¿IV. (9)

J о J о щу

где угр -граничная пространственная частота в плоскости нормальных условий наблюдения, мм"1; -эффективная ФПМ воспроизводящей системы.

В уравнении (9) первый дробный многочлен подинтегрального выражения описывает ФПМ, обусловленную неточностью совмещения красок ть а второй описывает яркостную ФПМ зрительного анализатора. Поскольку допустимое несовмещение красок в полиграфии составляет 0.2.-0.6 мм. то из-за больших порогов цветностного различения цветностными составляющими можно пренебречь.

На рис.1 показаны зависимости эффективной ФПМ Т(V) от величины сдвига красок при их несовмещении, а на рис.2 показана, рассчитанная по формуле (8) зависимость субъективной оценки резкости Ц от величины линейного сдвига ц для принятых нами граничных значений (й. Из рис; 2 видно, что при увеличении сдвига больше величины ц = 0,1 мм происходит постепенное ухудшение резкости изображения и при достижении величины ц = 1 мм качество изображения становится недопустимо плохим.

Зависимость субъективной оценки резкости а от величин принятых в полиграфии допусков несовмещения красок ц, оказалась в хорошем соответствии с практическими наблюдениями, что позволяет рекомендовать предлагаемый метод расчета Ц и шкалу

Т(у), %

Рис. 1 Эффективные ФПМ в зависимости от величины сдвига при несовмещении красок Т) (мм).

Q Качество: ОТЛИЧНОЕ

100 90 80

70 60

0.0 0.2 0.4 О.в 0.8 1.0 Г», мм

Рис. 2 Зависимость субъективной оценки резкости (} от величины сдвига красок при их несовмещении при печати.

субъективных оценок (рис.2) для применения при оценке резкости полиграфических изображений.

Глава 4. Градационные характеристики репродукционных систем и возможности их оптимизации.

Известно, что рассеяние света в красочных слоях и бумаге приводит к изменению формы кривой дерастрирования Ботт= Г(30тт), и следовательно к изменению формы градационной характеристики воспроизведения изображения на оттиске.

Для учета светорассеяния в печатной системе "краска-бумага" при расчете кривых дерастрирования 0отт=Г(3огт) используют выражение Шеберстова-Муррея-Дэвиса с поправкой на коэффициент светорассеяния Юла-Нилсена N :

-Бк/Н -Ол/И

Потт = - Н-1£[8,„-10 + (1-3отт)-10 ] (10)

где Вк и Од -оптические плотности печатной краски на плашке и бумаге, соответственно.

Физический смысл показателя Юла-Нилсена N строго не определен. Однако, известно, что величина показателя Юла-Нилсена зависит от оптических свойств используемых при печати бумаги, краски и линиатуры растра.

В четвертой главе рассмотрена возможность экспериментального определения и более строгого теоретического обоснования физической сущности показателя Юла-Нилсена при помощи современных методов и представлений о рассеянии света в рассеивающих средах, каковыми являются печатные системы "краска-бумага". Решение этого вопроса позволило провести более детальные исследования возможности формирования и оптимизации

градационных характеристик в современных репродукционных системах. В этой связи были разработаны:

1. Метод экспериментального определения коэффициентов светорассеяния Юла-Нилсена для печатной'системы "краска-бумага". Метод основан на предварительной печати на бумагу и последующей денситометрической и компьютерной обработке многопольных растровых шкал различной линиатуры Ь. Алгоритм программы для определения коэффициентов светорассеяния основан на аппроксимации полученных экспериментально зависимостей Ю0Х1=Г(50ТТ) выражением (10) и использовании метода последовательного приближения аппроксимирующего выражения с минимизацией среднеквадратической погрешности результатов аппроксимации.

2. Метод теоретического расчета кривой дерастрирования А>тт=Г(50ТТ) и коэффициента светорассеяния Юла-Нилсена с учетом ФПМ системы "краска-бумага". Алгоритм программы для определения коэффициентов светорассеяния основан на апрокси-мации рассчитанных теоретически зависимостей Вотт(30ТТ) выражением (10). и использовании метода последовательного приближения аппроксимирующего выражения с минимизацией среднеквадратической погрешности результатов аппроксимации.

При определении интегральных оптических плотностей Вотт, предварительно с помощью операции свертки исходного распределения освещенности растрового изображения Е0(X, У) с функцией рассеяния точки Р(г) системы "краска-бумага" рассчитывали эффективное распределение освещенности Е(Х,У) растрового изображения, и далее последовательно рассчитывали интегральные значения коэффициента отражения ротт и оптической плотности 0отт оттиска. Здесь г = (Хг+У2)1/2.

Исследована зависимость формы кривой дерастрирования Р01Т=Г(80ТТ) от рассеяния света в системе "краска-бумага".•

3. Модель процесса нелинейной коррекции градационных характеристик 3ФФ=Г(Оор) на регулируемой стадии воспроизведения изображений с помощью ПЭВМ. Модель основана на кусочно-линейной аппроксимации градационных характеристик в "светах", "полутонах" и "тенях". Алгоритм позволяет осуществлять автоматический выбор и коррекцию оптимальной штатной градационной характеристики репродукционной системы.

Глава 5. Цветовоспроизведение полиграфическими системами цветных изображений.

В пятой главе рассмотрены особенности визуального восприятия цветных изображений, содержащих мелкие детали и основные принципы расчета их цветовоспроизведения многослойными фотографическими материалами и.полиграфическими системами. Показана возможность совершенствования теории репродуцирования цветных изображений в полиграфии на базе колориметрических и пространственно-частотных представлений.

Разработана модель ткроколсриметрического расчета цветовоспроизведения изображений мелких деталей, алгоритм расчета которой учитывает рассеяние света в воспроизводящей системе и предполагает включение в колориметрический расчет операции свертки функции распределения цветовых коэффициентов изображения с яркостной и цветностными функциями рассеяния зрительного анализатора.

Известно, что с уменьшением размеров сравниваемых по цвету участков изображения, их эффективный контраст снижается за счет рассеяния света в зрительной системе и наличия дискретной структуры сетчатки глаза. Поэтому цвет малых деталей целесообразно характеризовать эффективными цветовыми коэффици-

енташ иэф(ч). Уэф(ч). У3ф(С[). которые предлагается рассчитывать с помощью интеграла свертки предварительно рассчитанных цветностных и^), V(q), к яркостного И^) распределений изображения с соответствующими цветностными Ьи(р). 1/(р) и яркостной V(р) функциями рассеяния зрительного анализатора:

и9ф(ч) = и(ч-р) йр

- К^мр) v(q-p) йр (И)

= Г* ьмр) тясч-р^ ар

J-Ct>

Цветностные функции рассеяния зрительного анализатора Ьи(р). Ь*(р) приняты нами согласно экспериментальным данным Гофайзена и Седой в 1975г.; яркостная Ь"(р) - согласно усредненным данным, полученным Андреевым и Позняк в 1972г. (рис. 3).

Эффективные цветовые различия ДЕэф(я) рассчитываются:

ЛЕэф(д) V + (иэф41-иэф42)2 + (^(Ь-У,,^)8.

где иэф(д) = 13 Иэф(ч) (иэф (я) - ив) (12)

ЧЭф(Ф - 13 - Ув)

Основные положения микроколориметрического расчета цветовоспроизведения изображений мелких деталей были проверены экспериментально. Проверка проводилась.применительно к цветовоспроизведению многослойными фотографическими материалами изображений изолированных (отдельно стоящих) и периодических объектов. Проверка показала хорошее соответствие расчетных и экспериментальных величин.

Разработана и экспериментально обоснована модель расчета зональных оптических плотностей для цветных растрированных полиграфических изображений с учетом рассеяния света в печатной системе "краска-бумага". В соответствии с предлагаемой моделью, при четырехкрасочной печати, зональные оптические плотности растровых, изображений на оттиске рассчитываются:

_ -Ю!.,/^) е -<01., /»!.«) е

Б! = - Ь§[10 • Бб + 10 • Б, +

-(^.„А.п) -(5,.Р /*1>г) -(51..П ^.жд)

+10 • Бп + 10 • + 10 • +

-Ъ.мг Щ г) ч "(б^нг /Мкпп) „ -(0!., 1

+ 10 • Б,,. + 10 • Бпг + 10 "(1^1

где: 1 = с,з,к (синий, зеленый, красный светофильтры);

^ _ а 3 - зональные оптические плотности, определенные за

1-ым светофильтром, для изображения плашки на от-

тиске с ЗЗ-ым сочетанием красок Ш = Б. Ж. П, Г. ЖП, ЖГ. ПГ. Ч5);

Б;, 3 - - вероятностные величины относительных площадей 3, рассчитанные по уравнениям Демишеля, для всех возможных сочетаний печатных красок, включая белый (Б) цвет бумаги; Величина Зчз соответствует черному цвету Ч3 и определяется.

как суммарная площадь, занимаемая черной краской в сочетании с другими: Зча = 1 - (Бе + ^ + Бц + Бг + Бжп + Б.г + Зпг);

N1.33 -коэффициенты светорассеяния, определенные за 1-м светофильтром для 33-го сочетания красок на оттиске при печати красочных растровых элементов "точка в точку".

^ -средневзвешенное значение совокупности коэффициентов

светорассеяния измеренных за 1-м светофильтром для

7-ми сочетаний красок, без учета цвета бумаги:

В работе приводятся рекомендации по определению коэффициентов светорассеяния Nli33 методом, не требующим печати красочных растровых элементов "точка в точку".

Разработана модель процесса преобразования координат полиграфического изображения CMYK е координаты видеопробы NTSC-RGB ("мягкой" пробы. Soft proof). Модель учитывает особенности процесса изготовления печатных форм и печати цветных растровых изображений на бумагу, а также имеющиеся различия основных цветов и способов синтеза телевизионного и полиграфического изображений.

Алгоритм расчета-видеопробы осуществляется последовательным преобразованием координат CMYK, выраженных в относительных, площадях растровых элементов Sj (где 3 = Ж, П, Г, Ч), сначала по уравнениям Демишеля и (13) в зональные оптические плотности Di=Dr.g.b, а затем по формуле (15) в видеосигналы, выраженные в единицах основных цветов R. G; В телевизионной системы NTSC-RGB.

(14)

-D.

G = 10 ! В = 10

Г°ь

(15)

Такой пересчет может быть осуществлен, если, подставляемые з выражение (13) оптические плотности плашек ^, 3 3. измерять

за красным, зеленым и синим светофильтрами (1=г.я,Ь), спектральные характеристики пропускания которых идентичны стандартным характеристикам спектральной чувствительности передающей телевизионной камеры г(Х), е(Х), Ь(Х).

В случае отсутствия необходимых светофильтров, для определения зональных оптических плотностей плашек Б!, 33 можно использовать предварительно измеренные спектральные оптические плотности плашек В этом случае расчет зональных оп-

тических плотностей плашек Г>г л осуществляется по формулам:

= - адл / М

= - ШВц / В»)

где: 1?„, в». В, - координаты цвета стандартного белого, принятого в телевидении; 3, , Вл -координаты цвета изображений плашек для 8-ми возможных сочетаний печатных красок, выраженные в цветовых координатах телевизионной системы ОТБС-ИСВ, которые рассчитываются по предварительно измеренным на спектрофотометре кривым спектральной -плотности

О*, л в„)

(16)

f730 _ -Di i (X)

Gjj = g(X) E(X) 10 13 dX (17)

" J 380

f730 _ - -Dii (X)'

B33 = b(X) E(X) 10 " dX " J 380

где: E(X) -распределение энергии источника освещения.

Рассчитанные по формулам (15) координаты цвета R. G и В выражаются в относительных единицах и для стандартного белого цвета они равны R=G=B=1.

Эта модель использована нами в качестве компаративной базовой модели при определении цветовых искажений, возникающих при компьютерной обработке изображений по упрощенным алгоритмам преобразования полиграфических координат CMYK в координаты видеопробы телевизионной системы NTSC-RGB.

В пятой главе рассмотрены также вопросы, связанные с оценкой цветового охвата основных звеньев полиграфической системы и оптимизацией цветовоспроизведения репродуцируемых изображений.

Глава 6. Шумовые характеристики репродукционной системы и отдельных ее звеньев.

В шестой главе исследована возможность количественной оценки шумовой структуры используемых в полиграфии фотографических материалов и растрирующих систем, а также рассмотрена модель визуального восприятия шумов, обусловленных этой структурой. Исследованы методы снижения зашумленности бинаризованных изображений с помощью сглаживающих (апертурных) и логических фильтров.

В соответствии с микроколориметрическими принципами разра-

/

ботана математическая модель визуального восприятия зернистости 3Е цветных фотографических изображений:

СЕ = [ (Ссп К4 К1!)2 + (Ссп К2 К1.,)2 + (Ссг К3 К>3)2 +

+ (Ссг К4 К\)г + (Ссж К5 К'5)2 + (М Е^ КГ6)г11/г (18)

где К^6 -коэффициенты, учитывающие яркостные и цветностные составляющие цветоразличительных характеристик визуального восприятия, рассчитываются как тангенс угла наклона зависимости изменения яркостной и цветностной составляющих цвета ДЕ от приращения поверхностной концентрации позитивных красителей цветной пленки. Коэффициенты К,_6 имеют размерность пороговых единиц С1Е-1Ш-64/единицу ВЭСП; К1^ -коэффициенты, учитывающие пространственно-частотные характеристики яр-костного и цветностных каналов зрительного анализатора. Все входящие в выражение (18) коэффициенты представлены в таблице.

Краситель . Коэффициенты

Яркостные Цветностные

1 Пурпурный Голубой Жедтый ^ = 22,95 К3 = 16,15 К5 =. 2.85 К1! = 1,843 К*3 = 1,843 К15 = 1,843 К2 = 40,70 К4 = 46,90 К6 = 28.95 К12 = 0,984 К14 = 0,830 К16 = 0,584

• Величина зернистости СЕ получает размерность пороговых единиц цветоразличения использованной для расчета коэффициентов К,.6 равноконтрастной колориметрической системы.

Теоретические расчеты показали, что среднеквадратическая гранулярность пурпурного, голубого и желтого красочных слоев входят в суммарную субъективную оценку зернистости с удельными весами 100:84:30, соответственно. Экспериментальная

проверка показала, что вклады пурпурного, голубого и желтого красителя в субъективную оценку зернистости цветного изображения соотносятся как 100:70:33. Полученные экспериментальные соотношения достаточно хорошо соответствуют расчетному соотношению, найденному из теоретических модельных представлений.

Разработан метод определения шумовых характеристик репро-Эукционноа растровой системы, основанный на спектральном анализе изображений с векторным представлением Фурье пространства. С помощью данного метода были исследованы шумовые параметры муаровых" структур, формируемых однокрасочными и многокрасочными растровыми изображениями.

Использование спектрального метода и статистических представлений применительно к растровым изображениям, полученным в полиграфических электронно-лазерных растровых записывающих системах (RIP), позволило рассчитать зависимость величины СК-отклонения оптической плотности Gd растровой структуры однокрасочных полиграфических изображений от относительной площади растровых элементов S0TH и линиатуры L растра (рис.4 и 5). При расчете зависимости Ga = f(L) учитывали функцию рассеяния зрительного анализатора. Расчеты показали, что максимум величины СК-отклонения оптической плотности для растровых изображений соответствует SOTH=0.4+0.6, а при ли-ниатурах L < 40+50 лин/см величина Gd достигает значения Gd=0,15+0,20 и становится заметной визуально.

Сочетание статистических и колориметрических методов позволило исследовать особенности визуального восприятия растровой структуры цветных полиграфических изображений. В частности показано, что в силу статистических свойств при наложении многокрасочных изображений распределению растровых элементов внутри растровой ячейки могут соответствовать три

град

Рис.3 Сглаженные ФПМ зрительного анализатора.

Рис.4 Зависимость СК-гранулярности от 8ОТН Рис.б Зависимость величины от линиатуры растра Ь.

ж п ж п

Рис.б Распределение растровых элементов желтой,пурпурной и голубой красок в растровой ячейке для синтезов цвета: а) аддитивного; б) аддитивно-суб-трактивного; в) субтрактивного.

случая синтеза: а) аддитивный; б) аддитивно-субтрактивный; в) субтрактивный (рис.6). При этом возникают флуктуации цвета, максимальные отклонения которого от среднего значения могут быть рассчитаны, как цветовые различия между экстремальными цветовыми координатами цвета ДЕтах для аддитивного и субтрактивного цветов относительно среднестатистического цвета для аддитивно-субтрактивного синтеза. Колориметрические расчеты для большого числа моделируемых цветов показали, что численная оценка СК-отклонения от среднего (определенного для аддит. -субтракт.синтеза), равная одной трети максимального отклонения Се = 0,33 ДЕгоах, для шумовой характеристики растровой структуры цветного изображения, отпечатанного на мелованной бумаге составляет 3-7 пороговых единиц равно-контрастной колориметрической системы С1Е-Ь*и*У*-76.

Исследована возможность понижения зашумленности изображений сглаживающими и логическими фильтрами. Сравнительный анализ эффективности фильтрации случайных шумов бинаризованных изображений показал преимущества логических фильтров перед сглаживающими.

Глава 7. Информативность цветофотографических и репродукционных систем с учетом цветоразличительных и частотных характеристик зрительного анализатора.

Седьмая глава посвящена информационной оценке цветных фотографических и полиграфических изображений.

Наиболее полной характеристикой качества воспроизведения изображения может служить информационная оценка, которая включает все основные структурные и градационные параметры воспроизводящей системы:

ФЧУ) Т32(У) КЗ

Е3 (V)

г

] (IV

(19)

где: Ф1 (V) и ф (у) - спектры объекта и шумов воспроизводящей системы; (у) и -ФПМ и градиент градаодонной кривой воспроизводящей системы.

Впервые формула расчета информационной оценки (19) для фотографических изображений была опробирована Филгетом и Лин-футом в 1955 г., а применительно к полиграфическим изображениям одним из первых ее использовал Овчинников Ю. Н (1980 г.). Однако, аспекты, связанные с определением спектров фотографических объектов (оригиналов) и учетом цветоразличи-тельных и пространственно-частотных характеристик, до сих пор не решены и их решение является актуальной задачей.

В частности МакАдам указал что, по сравнению с черно-белым информативность цветного фотографического изображения не может быть увеличена более чем в 2,25 раза, вместо ожидаемых по числу слоев трех раз. Частичная потеря информации цветного изображения объясняется неидеальностью цветоразличитель-ных и пространственно-частотных свойств зрительного анализатора.

В этой связи следует отличать от простой информационной оценки I (выражение 18) более полную оценку - пропускную способность П системы "оригинал-воспроизводящая система-глаз", которая наряду с техническими параметрами оригинала и воспроизводящей системы учитывает ФПМ и сенсорные шумы зрительного анализатора человека:

П = 2 Щ

(20)

где:

П3 = яГг% Ьо&[1 +

.10

ФЧу) Г,2 (У) X,2 ^.„'(у)

&Ну) Т!,за2(У) + 61, за ('У)

] бУ (21)

Т1# ал (V) и г^заМ -ФПМ и сенсорные шумы зрительного анализатора.

' С визуальной оценкой качества цветного изображения следует ожидать лучшей корреляции от пропускной способности - выражение (20).

Информационный подход к цветофотографическим и репродукционным системам требует раздельного рассмотрения условий формирования изображений в пурпурном, голубом, желтом и черном красочных слоях и учета отдельных вкладов красочных слоев в суммарную оценку качества цветного изображения.

В этой связи нами была поставлена задача теоретически и экспериментально определить относительные вклады информативности Ж, П, и Г красочных слоев цветных фотографических материалов в субъективную оценку качества цветного изображения. Поскольку нас интересуют относительные вклады Ж, П, и Г красочных слоев в субъективную оценку качества цветного изображения, то в уравнении (21) должны использоваться цвет-ностные ФПМ зрительного анализатора. Величина сенсорных шумов принята нами равной четверти порога цветоразличения Ж, П и Г позитивных красителей. Измеренные нами, усредненные спектры различных изображений (городской й сельский пейзажи, портрет и натюрморт) аппроксимировали выражением Ф(г)= = 625Л>2. мкм2.

Исходя из принятых условий по формуле (21) были рассчитаны относительные вклады Ж. П. и Г красочных слоев. Они оказались равными Пп :ЙГ: 89:33.

Теоретические посылки были проверены экспериментально. С этой целью Изготовлен комплект цветных диапозитивов аэроландшафта. состоящий из 91 изображения различной резкости и зашумленности в Ж, П и Г слоях Пленки. Комплект диапозитивов

был ранжирован группой наблюдателей, состоящей из 20 человек. Всего было получено 1800 экспертных оценок. Экспериментальные данные показали, что удельные вклады в субъективную оценку качества соотносятся как П^П^П^ЮОгвбсЗЭ, т.е. их соотношение близко к расчетному.

Для растпрированних изображений, записанных при помощи идеальных полиграфических систем с поэлементной обработкой сигнала и лазерной записью растровых элементов, информационная оценка J может быть расчитана по формулам:

Расчет показывает, что например, при условии: L=60 лин/см; N=16 (256 уровней); SOTH=0*100% для Ж.П.Г красок; SOTH=0+70% для Ч краски - максимальное количество информации, воспроизводимой полиграфическим способом, ограничивается величиной, равной J,nr4 = 221 760 дв.ед./см2.

При использовании информационного подхода и исходя из микроколориметрических' принципов оценка пропускной способности "идеальная полиграфическая система - зрительный анализатов" П может быть рассчитана по формулам:

П = n„+nn+nr+n4 ' (24)

J - L2 log2 (N-N) = L2 log2 (N-N), дв.ед./см2

(22)

^жпгч - J* + ^п + ^г + J'

4

(23)

W) V Ti.3a2(v)

gl.sa(V)

) dv

(25)

«(V) -усредненный пространственно-частотный спектр изображения оригинала; V - пространственная частота, приведенная к плоскости, соответствующей нормальным условиям наблюдения.

мм"1; 100 -размерный коэффициент.

Если учесть пропускную способность зрительного анализатора и аппроксимировать спектр объекта выражением Ф(10 = = 625/\г. то рассчитанные по формулам (24 и 25) значения пропускной способности "идеальная полиграфическая система-зрительный анализатов" для цветоделенных изображений, воспроизведенных желтой, . пурпурной, голубой и черной красками имеют значения П,=1100, Пп=5200, Пг=3400 и Пч=11700 11=21400 дв.ед./см2. Таким образом при нормальных условиях наблюдения зрительный анализатор может различить предельное количество цветной изобразительной информации на площадке в один см2, ограниченное величиной П = 21400 дв.ед./смг, что значительно меньше количества информации, которое может быть воспроизведено идеальной полиграфической системой .1=221760 дв.ед./см2.

Повидамому эти значения информативности и пропускной способности следует считать предельными для реальных полиграфических систем, т. к. этого количества информации вполне дос-таточн для качественного полиграфического воспроизведения цветных изображений.

ВЫВОДЫ

Анализ разработанных теоретических положений и полученных экспериментальных результатов позволяет сделать следующие основные выводы:

1. Разработана комплексная модель цветовоспроизведения и визуального восприятия цветных растрированных полиграфических изображений, учитывающая градационные, резкостные, шумовые характеристики воспроизводящей полиграфической системы и зрительного анализатора человека (включает пункты 2-5).

2. Разработана модель системного преобразования сигнала репродукционными сканирующими системами поэлементной обработки изображений с учетом апертурной фильтрации, дискретизации, логарифмирования, нормирования, аналого-цифрового прибразования и растрирования.

3. Разработана модель микроколориметрического расчета цветовоспроизведения изображений мелких деталей с учетом рассеяния света в цветовоспроизводящей системе, а также цветораз-личительных и пространственно-частотных характеристик зрительного анализатора человека;

4. Разработана модель расчета зональных оптических плотностей цветных растрировании полиграфических изображений. При расчете учитываются оптические параметры краски и бумаги, а также рассеяние света в печатной системе "краска-бумага";

5. Разработана модель формирования на дисплее видеопробы (Soft proof - мягкой пробы), учитывающей особенности формирования цветных изображений репродукционными и телевизионными системами. Алгоритм преобразования полиграфических координат CMYK в телевизионные цветовые координаты RGB обеспечивает адекватность колориметрических координат изображений видеопробы и пробного оттиска.

6. Разработана модель рассеяния света и метод определения функции передачи модуляции печатной системы "краска-бумага";

7. Разработан метод определения параметров кривой дераст-рирования репродукционного процесса с учетом ФПМ, учитывающей рассеяние света в печатной системе "краска-бумага";

8. Разработан метод определения резкости полиграфических изображений, обусловленной сдвигом красочных изображений при их частичном несовмещении во время печати.

9. Разработана модель визуального восприятия зернистости

цветных фотографических изображений;

10. Разработан метод определения шумовых характеристик цветных фотографических и репродукционных растрированных изображений;

11. Разработан метод интегральной оценки информационных характеристик полиграфических растровых систем с учетом цвето-различительных и пространственно-частотных характеристик зрительного анализатора.

Практическая ценность и реализация работы.

Результаты исследования использованы при разработке методической литературы и лабораторного практикума по учебному курсу "Моделирование и алгоритмизация процессов обработки изобразительной информации".

Разработанные методы расчета оптических зональных плотностей. цветовых координат видеопробы, резкости, зашумленности, информативности и микроколориметрический расчет цветовоспроизведения изображений мелких деталей могут быть рекомендованы для использования в научно-исследовательских институтах, оптических и типографских лабораториях, занимающихся оценкой качества цветных фотографических материалов и многокрасочных полиграфических изображений.

Апробация работы.

.Основные результаты диссертационной работы были представлены: На международном конгрессе по научной фотографии в г. Рочестере (США). 1978 г.; конференции секции "Информационные свойства фотографических материалов" комиссии по химии фотографических процессов АН СССР, 1977 г.; международной конференции "ГрафиКон 92" в г. Москве. 1992 г.; международной конференции "Региональная информатика РИ-95", г. Санкт-Пе-

тербург, 1995 г.; II-ой Международной научной конференции, г. Москва, 1395г

По результатам диссертационной работы было получено 3 авторских свидетельства на изобретения и опубликовано более 50 научных работ.

Основные положения диссертации были публикованы в статьях:

1. Каныгин Н.И, Вейцман А.И., Вендровский К.В. Микроколориметрический расчет фотографич. системы. Сб. научн. трудов ГОС-НИИХИМФОТОПРОЕКТ. вып.27. М. 1978, С.92-105

2. Каныгин Н. И., Андреев Ю. С. Модель расчета оптических плотностей цветного растрового изображения с учетом коэффициентов светорассеяния "Юла-Нильсена" ЕНиПФ, N6, 1994, С. 39-42.

3. Каныгин Н.И., Андреев Ю.С., Луцко В. В. Расчет зональных оптических плотностей и коэффициентов светорассеяния для двухкрасочных растровых изображений,отпечатанных "точка в точку". Полиграфия, N5, с. 16.

4. Каныгин Н.И..Андреев Ю.С., Определение ФПМ печатной системы <краска-бумага>. Полиграфия, N5, 1993, С.28-29.

5. Андреев Ю.С., Каныгин Н.И.. Расчет градационных характеристик печатного процесса с учетом ФПМ печатной системы <краска-бумага>., Полиграфия. 1994, N2, С. 26-27.

6. Каныгин Н. И., Андреев Ю.С., Моделирование процесса преобразования координат полиграфического изображения CMYK в координаты видеопробы телевизионной системы NTSC-RGB, ЖНиПФ. т. 40. N1, 1995, С. 3-6.

7. Андреев Ю.С., Каныгин Н.И., Зависимость заметности растровой структуры от линиатуры растра., Полиграфия, 1994, N4, С. 43-44.

8. Андреев Ю.С., Каныгин Н.И.. Чувашев Ю.И.. Луцко В.В..

Оценка цветового охвата. Полиграфист и издатель, N2,1995, С. 80.

9. Каныгин Н.И., Андреев Ю.С., Оценка резкости полиграфических изображений при неточном совмещении красок., ЖНиПФ, т. 40, N3 , 1995, с. 39-43.

10. Каныгин Н.И..Вейцман А.И., Вендровский К.В. Информационная оценка качества цветных фотографических изображений Сб. научн. трудов ГОСНШХИМФОТОПРОЕКТа. 1982, М., С. 79-83.

11. Андреев Ю.С., Каныгин Н.И., Упрощенное преобразование полиграфических координат CMYK в координаты видеопробы NTSC-RGB, Тезисы докладов П-ой Международной научной конференции, Москва, Международная Академия информатизации, 22-23 ноября 1995, С. 18-19.

12. Андреев Ю.С., Каныгин Н.И., Сорокин В.А., Воспроизведение периодических решеток в растровых системах поэлементной обработки изображений, ЖНиПФ, Т.40, N2 , 1995, С.39-46.

13. Vendrowsky K.V., Veltsman A.Y., Kanygln N. I. Information content of the black-and-whlte and Colour Images, Papers frora the International congress of Photographie Science, Rochester. N.Y.. USA, August 20-26, 1978, p.298-300.

14. Андреев Ю.С., Каныгин H.И., Сорокин В.A., Обобщенная модель преобразования сигнала в системе поэлементной обработки изображений ЖНиПФ, N6, 1994, С.34-38.

15. Андреев Ю.С., Каныгин Н.И., Карташева О.А. .■ Луцко В.В. ФПМ печатной системы (краска-бумага), Полиграфия, N6, 1993, С. 33.

Личный вклад автора в опубликованные работы.

В работах [1+11] автором предложены основные идеи, получены экспериментальные результаты и проведена их математическая обработка. В работах [12+15] постановка работы и интерпретация полученных результатов проводились совместно с соавторами.